1、研究背景：
在化石能源日益短缺和环境恶化的威胁下，开发海洋能等可再生能源至关重要。传统的波浪能转换器基于电磁发电机，其结构复杂、体积庞大，存在成本高、可靠性和效率低下的问题。人们开始采用具有独特优势的振荡水柱(OWC)转换器，能够在低频（约为0.1 Hz）下实现波浪能的转换。2012年，王中林院士发明了可以将机械能转化为电能的摩擦纳米发电机（TENG），目前已设计制备许多用于海洋波浪能收集的TENG，但海洋环境的恶劣特性使得TENG容易受损。并且由于波浪的不稳定性，TENG对波浪能的利用率相对较低。因此，迫切需要设计和优化适应各种环境条件的TENG。振荡水柱转换器与TENG的结合，可以在较小范围的波浪频率内产生更大的推动力，可能具有更高的波浪能利用率和适应性，具有重要的应用潜力。
2、文章概述：
中国科学院北京纳米能源与系统研究所洪占勇研究员、蒋涛青年研究员和王中林院士与集美大学合作将OWC波浪能转换机构与TENG相结合，设计出一种非接触式转台结构的振荡水柱TENG（OWC-TENG）。根据船舶静水力学原理和波浪理论，通过仿真实验对OWC进行了优化。随后测试了具有不同结构参数的OWC-TENG在不同水波激励条件下的输出性能。该TENG提供的最大输出电流为55.45 µA，输出功率为5.28 mW，相应的功率密度达到114.8 W m−3，为海洋中小型传感器提供了稳定的电力供给。这项工作为高效收集低频、微幅海浪能量以驱动各种海上设备提供了新的解决方案，展现了在海洋蓝色能源开发和海上物联网领域广阔的应用前景。
3、图文导读：
双向空气透平摩擦纳米发电机在海洋中的分布示意图
图1：OWC-TENG的工作原理和三维结构。a)在水波中的OWC-TENG的示意图。b)双向空气涡轮机的工作过程。c) OWC-TENG的三维结构示意图。d)转子和定子圆盘的示意图。e) OWC-TENG发电部件的截面图。f) TENG子单元的工作原理。
图2：OWC波浪能转换器的水动力与水波频率的关系。a)不同形状的波浪能转换器的RAO Z图。b)不同厚度垂荡板的RAO Z图。c)不同厚度垂荡板的附加质量图。d)不同厚度垂荡板的阻尼系数图。e) OWC波浪能转换器在造浪池中的运动响应图。
图3：OWC-TENG在水波激励下的输出性能。a, b) 不同间隙下OWC-TENG的输出性能。c, d, e, f)不同水波激励条件对OWC-TENG的输出性能的影响。g) 50 秒激励下输出电流随时间变化的示意图。
图4：OWC-TENG在水波激励下的电气特征。a)空气涡轮TENG的照片。b)风机外壳的风速模拟。c)上下两个发电机转移电荷的比较。d) OWC-TENG使用的电源管理电路。f) OWC-TENG上部和下部子单元串联和并联时的充电曲线图。g) 不同电容器在最佳激励条件下的充电结果。h) OWC-TENG的一个子单元在不同电阻下的峰值功率和平均功率。i) OWC-TENG的两个子单元集成后在不同电阻下的峰值功率和平均功率。
图5：OWC-TENG在水波激励下驱动电子设备。a) OWC-TENG的概念示意图。 b)为风速计供电的照片。c)为无线传感温度计供电的照片。d)点亮LED的照片。 e)为风速计供电的电容器充放电示例。f)为无线温度计供电的电容器充放电示例。
4、结论：
受传统的OWC波浪能收集装置的启发，本文展示了一种基于双向空气涡轮来吸收和利用流体的新策略的新系统。该系统利用流体振荡将波浪的不规则运动转化为规则运动，从低频和低振幅波浪中提取能量，并利用空气涡轮机将机械能转化为电能。该装置弥补了OWC电磁发电机在波浪能收集方面的缺点。在频率0.83 Hz、振幅0.25 m的激励条件下，OWC-TENG发电装置在5 MΩ的匹配电阻下，产生的最大峰值功率为5.28 mW，平均功率为2.89 mW。对应的有效峰值功率密度为114.8 W m-3，有效平均功率密度为62.8 W m-3。研究结果表明，该TENG 装置能够有效地将机械能转化为电能，并对不同的应变和振动源具有很高的响应性。此外，该装置成本低、易于制造，在实际应用中具有潜在优势。通过进一步的分析和测试，发现TENG装置在可持续能量收集方面具有很高的可靠性和稳定性。其自供电特性使其无需外部能源输入，从而减少了对传统电池等储能装置的依赖，这使得TENG技术在可再生能源领域具有广阔的应用前景。
